Kvant. Поверхностное натяжение

А так ли хорошо знакомо вам поверхностное натяжение? // Квант. — 2005. — №3. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю
жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики.
Уильям Томсон (лорд Кельвин)

...жидкое состояние характеризуется сцеплением частиц, отсутствующим в газах
и парах. Сцепление жидкостей выражается в капиллярных явлениях...
Дмитрий Менделеев

Эти сферические воздушные пленки легко образуются в мыльной воде.
Они отличимы от обычных воздушных пузырей...
Джозайя Гиббс

...она <формула — А.Л.> действительна независимо от того, какими
причинами обусловлено возникновение кривизны поверхности.
Альберт Эйнштейн

Именно это понятие — поверхностное натяжение — объединяет приведенные фрагменты из трудов великих ученых. К представительному списку имен можно смело добавить еще несколько — например, Галилея, задумавшегося над вопросом, почему росинки принимают шарообразную форму.

Отчего столь пристальное внимание привлекли тонкие пленки и мыль-ные пузыри, узенькие трубочки-капилляры и самая обычная пена?

Дело в том, что разгадка общего механизма действия поверхностных сил привела к объяснению удивительно разнообразных природных явлений — от процесса образования капель до поведения жидкостей в живых организмах. Более того, понимание свойств поверхностного натяжения позволило активно использовать его в широком практическом диапазоне — от сельского хозяйства до космической техники. Особенно хочется отметить, что исследования в этой области породили красивые и плодотворные аналогии. Так, при сооружении легких строительных конструкций сложных форм найти лучшие решения помогают... мыльные пленки, а построить первую теорию деления атомных ядер удалось, уподобив ядро... капле заряженной жидкости.

Жаль, что школьная программа по физике слишком «поверхностно» отнеслась к поверхностному натяжению, причислив его к отнюдь не главным вопросам курса. Попробуем хотя бы в малой степени восполнить этот пробел.

Вопросы и задачи

1. Если налить в стакан воду и бросить туда небольшой кусочек пробки, то, покачавшись, пробка «причалит» к стенке. Как заставить пробку плавать в центре стакана?
2. Можно ли показать, не пользуясь никакими приборами, что коэффициент поверхностного натяжения у мыльного раствора меньше, чем у чистой воды?
3. Известно, что брезентовая палатка хорошо защищает от проникновения воды, но если во время дождя дотронуться до потолка рукой, он начинает протекать. Почему?
4. В каком случае из крана самовара падают более тяжелые капли: когда вода еще горячая или когда она уже остыла?
5. Почему на поверхности керосина (и многих других горючих жидкостей) никогда не бывает пыли?
6. Деревянная дощечка, положенная на дно сосуда и залитая затем во-дой, всплывает. Стеклянная пластинка, положенная на дно сосуда и залитая затем ртутью, не всплывает, хотя плавучесть стекла в ртути гораздо больше, чем плавучесть дерева в воде. Почему?
7. Две смоченные водой стеклянные пластинки трудно отделить друг от друга, пока они находятся в воздухе. Однако они разделяются без всяких усилий, если их опустить в воду. Чем это можно объяснить?
8. Куда девается мыльная пленка, когда она лопается?
9. Мыльный пузырь выдули через соломинку так, что он повис на одном ее конце. Что произойдет с пламенем свечи, если к нему поднести другой, открытый конец соломинки? Как будет зависеть поведение пламени от диаметра пузыря?
10. Есть ли на поверхности мыльного пузыря область, где разрыв его наиболее вероятен?
11. Если кусочек мела положить в воду, то из него по всем направлениям начнут выходить пузырьки. Почему это происходит?
12. Для удаления жирных пятен материю проглаживают горячим утю-гом, подложив под нее лист бумаги. Отчего расплавленный жир впитывается в бумагу, а не расходится по материи?
13. Почему две спички, плавающие на поверхности воды вблизи друг от друга, притягиваются?
14. Вертикальная капиллярная стеклянная трубка подвешена к коромыслу весов и уравновешена гирями. Что произойдет с весами, если под трубку осторожно подвести сосуд с водой так, чтобы кончик капилляра коснулся ее поверхности?
15. В капиллярной трубке, опущенной вертикально в воду на глубину l, вода поднялась на высоту h. Нижний конец трубки закрывают, вынимают ее из воды и вновь открывают. Какой будет высота столбика воды, оставшейся в трубке?
16. В горизонтальный стеклянный капилляр с переменным сечением вводят сначала капельку воды, а затем капельку ртути. Куда будет двигаться каждая капелька?
17. На какую высоту поднимается смачивающая жидкость в капилляре, если сосуд с жидкостью, куда опущен капилляр, находится в невесомости?

Микроопыт

Подставьте палец под тонкую водопроводную струю на расстоянии нескольких сантиметров от крана — там, где струя еще не распалась на капли. На что станет похожа часть струи над пальцем? Почему?

Любопытно, что...

...с давних времен для успешной ловли рыбы с помощью остроги по-верхность воды сбрызгивали маслом. Даже легкое волнение воды сильно искажает видимое изображение рыбы и мешает прицелиться, тонкая же пленка масла, благодаря силам поверхностного натяжения, способствует затуханию волн и успокоению воды.

...вошедший в историю науки опыт по созданию искусственной невесомости при зависании жидкого масляного шара в смеси воды и спирта, иллюстрирующий действие поверхностного натяжения жидкостей, был впервые осуществлен в 1843 году бельгийским профессором Жозефом Плато. К сожалению, вскоре он ослеп и больше не мог любоваться столь эффектным явлением.

...американский физик, один из основателей статистической механики Дж.Гиббс, впервые построивший общую теорию поверхностных явлений и капиллярности, считался кабинетным, далеким от эксперимента ученым. Однако впоследствии выяснилось, что он внимательнейшим образом изучал труды Плато с описанием многочисленных опытов с жидкими пленками.

...помещая конец узкой трубки с вытекающей из нее каплей в жидкость с плотностью чуть меньшей, чем плотность капли, Плато сумел «замедлить» процесс ее отрыва. При этом он заметил обычно не наблюдаемую вторичную маленькую капельку, отделяющуюся вслед за большой первой, — так называемый шарик Плато.

...идея флотации — отделения ценных фрагментов руды от пустой породы с помощью всплывающих воздушных пузырьков — возникла случайно. В конце позапрошлого века американская учительница Карри Эвертон обратила внимание на то, что при стирке загрязненных маслом мешков, в которых ранее хранился медный колчедан, замасленные крупинки минерала всплывали вместе с мыльной пеной, словно на воздушном шаре.

...заметный шаг в истории атомистики был совершен одним из создателей термодинамики, знаменитым У.Томсоном, проведшим подсчеты размеров молекул, основанные на изменении поверхностной энергии пленки при ее растекании. Значительно позже, уже в начале ХХ века, не менее знаменитому физику Дж.Рэлею удалось в блестящем эксперименте непосредственно определить размеры молекул растекшегося по воде масла.

...в мемориальной статье 1924 года, посвященной лорду Кельвину, А.Эйнштейн выбрал из множества работ ученого особенно восхитившие его примеры. Это были три исследования Кельвина, в двух из которых изучались... капли.

...английский ученый Джеймс Дьюар, изобретший сосуд для хранения сжиженных газов, сумел в особых бутылках продержать мыльные пузыри более месяца. А рекордный по размерам пузырь, правда удлиненной формы, достигал в наибольшем поперечнике четырех метров!

...в условиях невесомости капли не только воды, но и жидких металлов, как убедительно продемонстрировали это космонавты, могут достигать внушительных размеров.

...специальные вещества с меньшим поверхностным натяжением, чем у воды, могут при малом расходе покрыть тонкой защитной пленкой большую площадь открытых водоемов, уменьшая испарение. Это особенно важно в засушливых районах, где таким способом можно предотвратить ежегодную потерю десятков миллионов литров драгоценной влаги с каждого гектара.

...размышления над вопросом о том, за какое время сливаются капли, привели в 1944 году российского физика Я.И.Френкеля к созданию модели, позволившей заложить физические основы порошковой металлургии, в которой спрессованные металлические зерна необходимо «спекать» друг с другом при термической обработке.

...главным врагом тонких жидких нитей являются капиллярные силы, приводящие к неустойчивости нитей. Это приходится учитывать при формовании изделий из стекла, в том числе тончайших оптических волокон — основы современной техники передачи информации.

Что читать в «Кванте» о поверхностном натяжении

(публикации последних лет)

1. «Заряженная капля» — 1999, №1, с. 45;
2. «Можно ли носить воду в решете» — 1999, Приложение №6, с. 47;
3. «Что происходит на границе» и «Капилляры и смачивание» — 2000, Приложение №3, с. 28 и 99;
4. «Как мы дышим?» — 2001, Приложение №4, с. 18;
5. «Физика приготовления кофе» — 2001, №4, с. 2;
6. «А атомные ядра тоже колеблются» — 2001, Приложение №5, с. 101;
7. «Утро туманное...» — 2002, №4, с. 37;
8. «Молекулы, сосиски и алмазы» — 2003, №1, с. 35;
9. «Поверхностное натяжение и капиллярные явления» — 2003, Приложение №4, с. 64;
10. «Решение задач с распределенной силой» — 2004, №6,

Ответы

1. Осторожно наполните стакан водой чуть выше краев. Поверхностное натяжение воды придаст свободной поверхности на краях небольшую выпуклость, и пробка сдвинется к центру.
2. Бросьте небольшое количество мыльной пены на чистую воду — комочки пены разбегутся в стороны.
3. Если прикоснуться к мокрой ткани рукой, то несколько маленьких капель, удерживаемых, как в решете, силами поверхностного натяжения, сливаются в одну большую каплю, которую эти силы уже не способны удержать.
4. Во втором. Капля удерживается поверхностным натяжением воды, а оно с ростом температуры заметно уменьшается.
5. Керосин очень хорошо смачивает практически все тела, поэтому пылинки, попав на его поверхность, сразу тонут.
6. Вода смачивает дерево и подтекает под дощечку. Ртуть не смачивает стекло и не подтекает под пластинку, а давление на пластинку сверху удерживает ее от всплытия.
7. Причина сцепления пластинок в воздухе — образование между ними водяной «лепешки» с вогнутой боковой поверхностью. Погружение пластинок в воду приведет к исчезновению этой поверхности, а вместе с ней — и стягивающего усилия.

   

8. Пленка собирается в капельку, которая из-за малой толщины пленки имеет очень малый диаметр.
9. Пламя отклонится в сторону под действием струйки воздуха, вытекающего через соломинку из стягиваемого поверхностными силами пузыря. Отклонение пламени будет тем сильнее, чем меньше диаметр пузыря.
10. Есть. Жидкость стекает к основанию пузыря, его верхушка быстро утоньшается и рвется вероятнее всего.
11. Вода смачивает мел, входит в его поры и вытесняет из них воздух.
12. Жир смачивает и материю, и бумагу. Но в бумаге капилляры тоньше, чем в материи, и расплавленный жир активнее втягивается именно в бумагу.
13. Из-за капиллярных эффектов вода между двумя близко расположенными спичками поднимается вверх. Давление в воде между спичками оказывается ниже атмосферного. Это и приводит к тому, что спички сближаются.
14. Коромысло весов, на котором подвешена трубка, опустится под действием капиллярных сил.
15. После открывания трубки на нижнем ее конце образуется мениск такой же формы, как и на верхнем. Поэтому высота столбика воды, оставшейся в трубке, будет равна 2h, если l ≥ h, и l + h, если l ≤ h.
16. Поверхности капелек, обращенные к узкому концу капилляра, имеют меньший радиус кривизны, чем обращенные к широкому концу. «Отрицательное» давление слева под поверхностью смачивающей капилляр воды будет меньше, чем справа, и столбик воды переместится к узкому концу трубки. Давление слева под поверхностью несмачивающей капилляр ртути будет больше, чем справа, что приведет к выталкиванию столбика ртути к широкому концу.

    

17. Жидкость заполняет весь капилляр, так как сила поверхностного натяжения не уравновешивается силой тяжести жидкости в капилляре.

Микроопыт

Водяная струя как бы стянута пленкой. Под влиянием внешних воздействий, например пальца, эта пленка деформируется, и в ней начинаются поверхностные (капиллярные) колебания, придающие струе форму гармошки.

Материал подготовил А.Леонович